顿磊：激光除锈无损除锈的热弹性振动密码

一、什么是激光除锈的热弹性振动作用？

在激光除锈技术中，热弹性振动作用是一种无损伤基底的核心除锈机理。简单来说，当激光照射到被除锈物（如漆层、锈蚀）与基底（如金属、石材）表面时，两者会吸收部分激光能量并快速升温，但由于它们的热膨胀系数不同，在极短时间内的热胀冷缩会在结合面形成巨大应力梯度，进而产生高频振动波，最终让被除锈物克服自身结合力与基底附着力，实现 “无损剥离”。

这种机制最突出的优势的是 —— 激光能量远低于烧蚀除锈所需的阈值，不会直接烧毁或损伤基底，除锈过程中还能听到明显的高频振动声波，是目前公认的温和且高效的除锈方式。

二、热弹性振动的工作原理：从能量吸收到剥离的全过程

1. 激光能量的吸收与传递

激光照射时，部分光束被被除锈物散射，其余被材料吸收。被吸收的激光能量遵循 “朗伯定律” 向材料内部穿透，不同材料的吸收能力差异显著：金属的吸收系数极高（约 10⁷~10⁸ m⁻¹），能量集中在表面；而油漆等非金属的吸收系数较低（约 10⁶ m⁻¹），能量穿透更深。

值得注意的是，激光能量并非直接让材料升温：首先会使材料粒子（电子、原子等）获得过剩能量，经过粒子间碰撞达到能量平衡后，才转化为宏观的热能 —— 这个 “能量均分” 的过程被称为 “弛豫”，金属的弛豫时间极短（约 10⁻¹³ 秒），非金属则稍长（10⁻⁶~10⁻¹² 秒）。

2. 热膨胀与应力波的产生

热能会让被除锈物和基底瞬间升温，但由于激光能量温和，不会造成材料烧蚀，仅引发 “瞬时热膨胀”。关键在于：被除锈物与基底的热膨胀系数不同，且基底的热膨胀往往会产生更强的 “脱离力”。

这种不均匀的热膨胀会在结合面形成 “弹性应力波”：应力波从照射表面向材料内部穿透，遇到基底的自由表面后，会以拉伸波的形式反射，进一步放大结合面的应力。

3. 被除锈物的无损剥离

当结合面的诱道应力足够大，既超过了被除锈物与基底的结合力，又突破了被除锈物自身的剪切应力时，被照射区域的被除锈物就会发生物理断裂，从基底表面剥离。

由于激光脉冲宽度极短，能量集中且作用时间短，应力仅作用于被除锈物与基底的界面，几乎不会向基底深处传递，因此能最大程度保护基底不受损伤。

三、热弹性振动与传统除锈机制的核心区别

与传统 “加热烧蚀”（通过高温让材料蒸发汽化去除）相比，热弹性振动作用有三个关键差异：

对比维度

热弹性振动作用

传统烧蚀机制

激光能量

低（远低于烧蚀阈值）

高（需达到材料汽化温度）

作用方式

高频振动波 + 应力剥离

高温蒸发 + 烧蚀去除

基底影响

无损伤、无残留

可能造成基底氧化、变形

除锈声音

明显的高频振动声

烧蚀产生的爆裂声或无明显声音

四、热弹性振动的应用价值与技术关键

1. 适用场景

由于其 “无损基底” 的特性，热弹性振动作用广泛应用于对基底精度要求高的场景：如航空航天零部件的漆层除锈、文物表面的污垢去除、精密仪器的锈蚀清理等，尤其适合金属基底的精细化除锈。

2. 技术核心参数

要实现高效的热弹性振动除锈，需控制三个关键参数：

• 激光脉冲宽度：需足够短（通常为纳秒级），确保能量快速沉积、瞬时热膨胀； • 能量密度：需严格控制在烧蚀阈值以下，避免损伤基底； • 材料匹配：需根据被除锈物与基底的热膨胀系数、弹性模量差异，调整激光参数，最大化结合面的应力梯度。

五、总结：温和除锈的 “振动魔法”

热弹性振动作用的本质，是利用激光的 “温和热能” 转化为 “机械振动应力”，通过科学调控材料的热胀冷缩差异，实现 “以振代烧” 的无损除锈。它既克服了传统除锈方式（如喷砂、化学除锈）对基底的损伤，又避免了高能量烧蚀带来的二次污染，成为激光除锈技术中兼具 “高效性” 与 “保护性” 的核心机制，推动激光除锈在精密制造、文物保护等高端领域的广泛应用。